考慮土層分布影響的深基坑開挖數(shù)值模擬研究*

曾亞林

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

隨著地下空間資源的開發(fā)與利用，深基坑開挖工程面臨的問題與挑戰(zhàn)愈發(fā)復(fù)雜。與普通深度基坑不同，深基坑周圍土體類型更豐富，土體性質(zhì)、土層分布等對基坑開挖穩(wěn)定性的影響更大。針對這一問題，張艷書等以某狹長基坑開挖工程為背景，采用MIDAS軟件分析軟土層厚度變化對基坑外地表沉降的影響，提出了軟土層分布與地表沉降的數(shù)值關(guān)系；王衛(wèi)東等根據(jù)5個典型基坑數(shù)值模型計算結(jié)果，確定了土體HS-Small模型參數(shù)取值方法，證明了典型HS-Small模型參數(shù)的普遍適用性；李鏡培等對某軟土基坑開挖過程中變形特性展開檢測與動態(tài)響應(yīng)追蹤，得出軟土基坑施工對周圍土體具有明顯深度效應(yīng)；吳昌將等結(jié)合多個基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了淺層軟土厚度與開挖面積對基坑內(nèi)擋土墻變形特性的影響；黃敏等對土巖組合地區(qū)的基坑開挖過程進(jìn)行有限元模擬，得到了基坑地表沉降模式與樁體水平位移的相互影響規(guī)律。上述研究從不同角度分析了土體性質(zhì)對基坑開挖的影響，但對同一基坑開挖時土層分布差異帶來的影響鮮有研究。該文以兩方向剖面土層分布存在明顯差異的深基坑開挖工程為背景，通過數(shù)值模擬分析土層分布差異對基坑開挖時樁體水平變形及地表沉降的影響，為存在地層差異的深基坑開挖施工提供借鑒。

1 工程概況

某深基坑位于環(huán)湖淺丘地帶，為湖濱丘崗地形地貌，地面標(biāo)高為36.18～36.76 m。基坑尺寸為12.1 m×12.1 m，基坑總開挖面積約175 m2。地面標(biāo)高按36.396 m考慮，基底標(biāo)高為5.705 m，基坑開挖深度為30.691 m。采用交合樁結(jié)合豎向5道內(nèi)支撐的支護(hù)方案，其中第1道內(nèi)支撐采用C35鋼筋混凝土，第2～5道內(nèi)支撐采用φ609×16 mm鋼管。基坑采用開挖→加撐→開挖的循環(huán)施工方法，開挖步驟和加撐步驟見圖1。

圖1 施工工況示意圖

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，基坑共包含5種土層，分別為雜填土、黏性土、強風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖和微風(fēng)化板巖，其中東西剖面與南北剖面土層分布存在差異，東西剖面土層分別為雜填土、黏性土、強風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖和微風(fēng)化板巖，南北剖面土層分別為雜填土、強風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖和微風(fēng)化板巖。各土層分布及物理性質(zhì)見表1。

表1 各剖面土層分布及物理性質(zhì)

2 數(shù)值模擬

2.1 基本假定

采用ABAQUS進(jìn)行深基坑開挖過程數(shù)值模擬。由于土體性質(zhì)的復(fù)雜性，深基坑開挖數(shù)值計算無法實現(xiàn)對實際開挖過程的完全模擬，在保證模擬結(jié)果合理性的前提下，為提高數(shù)值計算的效率與精度，對數(shù)值模型作如下基本假設(shè)：

(1)施工過程中地下水位基本無變化，且施工中采取合理的排水措施，建立模型時不考慮地下水對開挖模型的影響。

(2)不考慮基坑開挖作業(yè)的時間效應(yīng)及開挖施工對土體物理力學(xué)指標(biāo)的影響。

(3)土體呈層狀均勻分布，且為各向同性的理想彈塑性本構(gòu)。

(4)不考慮地下支護(hù)樁施工過程對土體的影響，認(rèn)為支護(hù)樁與土層的耦合為模型初始條件，考慮樁土耦合效應(yīng)進(jìn)行地應(yīng)力平衡分析。

2.2 模型建立

采用ABAQUS分別建立東西、南北剖面深基坑開挖二維平面模型，各土層厚度根據(jù)地質(zhì)勘察報告按實際尺寸選取。為兼顧計算精度與速度，且保證模型迭代收斂，采用CPE4單元模擬土層及支護(hù)樁，采用B21單元模擬內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，對混凝土支護(hù)樁及樁身周邊的土體進(jìn)行適量網(wǎng)格加密。

混凝土支護(hù)樁密度為2 500 kg/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2。支撐鋼管采用Q345鋼，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。各土層參數(shù)見表1。土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)，對全模型施加重力荷載作用。

混凝土支護(hù)樁與土體之間采用面對面有限滑移接觸，以混凝土支護(hù)樁作為主控面、樁周土體作為從屬面，切向罰函數(shù)取0.5，法向定義為硬接觸；支撐與混凝土樁身采用節(jié)點耦合方式進(jìn)行相互作用。模型兩側(cè)采用法向約束，底部采用切向和方向共同約束。ABAQUS有限元模型見圖2。

圖2 深基坑有限元模型

基坑開挖過程采用ABAQUS生死單元功能(Model change)模擬，根據(jù)各工況實際開挖及加撐情況，激活或殺死對應(yīng)單元和接觸。分析步與對應(yīng)施工工況見表2。

表2 模型分析步及對應(yīng)施工工況

2.3 考慮樁土耦合的地應(yīng)力平衡

考慮到樁土相互作用時極易發(fā)生迭代不收斂，且考慮土體的Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)后基本無法完成地應(yīng)力平衡，采用Python語言調(diào)用ABAQUS進(jìn)行地應(yīng)力迭代計算。先將僅定義彈性本構(gòu)的土體應(yīng)力場作為初始預(yù)應(yīng)力場施加在定義了Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)的模型上，反復(fù)進(jìn)行迭代。考慮樁土耦合作用且同時定義Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)的模型地應(yīng)力平衡土體位移見圖3。

圖3 地應(yīng)力平衡土層位移(單位：m)

由圖3可知：采用循環(huán)迭代進(jìn)行樁土耦合下地應(yīng)力平衡后，東西剖面基坑模型的土體位移為2×10-7～3×10-6m，南北剖面基坑模型的土體位移為2×10-6～2×10-5m。自重作用下基坑模型土體內(nèi)部位移與實際土體十分吻合，可以地應(yīng)力平衡結(jié)果作為基坑開挖的初始狀態(tài)進(jìn)行開挖模擬。

3 模擬結(jié)果對比分析

3.1 樁身位移

圖4為不同開挖工況下東西剖面與南北剖面模型樁身位移，圖5為各工況下東西剖面與南北剖面模型樁身位移峰值。

圖5 不同開挖工況下樁身水平位移峰值

由圖4(a)可知：各工況下，有較深黏性土層分布的東西剖面模型樁身上部水平位移峰值較大，對比W1和W2工況，支撐布置在一定程度上限制了樁頂水平位移的進(jìn)一步增大，但效果有限，開挖卸荷后樁頂水平無明顯變化；在W6工況，第6次開挖卸荷后樁身出現(xiàn)2處位移極值，第1次位移極值出現(xiàn)在距樁頂15 m左右處，即東西剖面強風(fēng)化板巖分布位置，上部黏性土層性質(zhì)導(dǎo)致開挖過程中土體活動量增大，顯著影響樁身位移。

圖4 不同開挖工況下樁身水平位移

由圖4(b)可知：無黏性土層分布的南北剖面模型樁身水平位移隨著開挖和加撐的進(jìn)行逐步增大，各工況下均只有一個明顯的位移極值點，樁身上部位移明顯小于有較深黏性土分布的東西剖面模型，樁身上部有支撐位置和下部有土體位置的位移較小，各工況下位移峰值均出現(xiàn)在最后一道支撐與基底之間。

由圖5可知：有較深黏性土層分布的東西剖面模型在各工況下的位移峰值相差較小，隨著開挖的進(jìn)行位移峰值無明顯增大趨勢，位移峰值極差僅為1.58 mm；無黏性土分布的南北剖面模型的位移峰值隨著開挖的進(jìn)行呈明顯增大趨勢，位移峰值極差為6.11 mm。可見，樁身位移峰值受土層分布影響顯著。

3.2 地表沉降

圖6為2個剖面模型的樁外土體沉降峰值。

圖6 樁外沉降峰值對比

由圖6可知：有較深黏性土層分布的東西剖面模型在前期開挖中樁外土體沉降明顯，隨著各道支撐的布置，樁體變形被有效限制，基坑外土體沉降逐漸減小；無黏性土層分布的南北剖面模型的土體性質(zhì)較穩(wěn)定，開挖過程中沉降較小，且隨著支撐的布置，基坑外土體出現(xiàn)一定隆起。

4 結(jié)論

(1)考慮樁土耦合效應(yīng)時可采取將重力場作為初始預(yù)應(yīng)力場的循環(huán)迭代方式進(jìn)行模型地應(yīng)力平衡，解決考慮樁土耦合時地應(yīng)力平衡計算不收斂的問題。

(2)黏性土分布對基坑開挖穩(wěn)定性有顯著影響，基坑開挖過程中黏性土的土體活動明顯，樁身上部變形比無黏性土分布模型大。

(3)開挖過程中有黏性土分布模型基坑外土體的沉降更大，隨著支撐的布置沉降逐漸減小。無黏性土分布模型的土體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，隨著支撐的布置基坑外土體出現(xiàn)一定隆起。